40 Bộ mơn Kỹ thuật điện, Khoa Điện – Điện tử Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm h ệ th ố ng đ i ệ n Họ và tên : ……………………………………… Lớp : ………………………………………………… MSSV : …………………………………………… BÀI 9 KHẢO SÁT DAO ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN I. MỤC ĐÍCH: ♦ Quan sát đặc tính quá độ của động cơ đồng bộ ♦ Nghiên cứu ảnh hưởng của quán tính và điện kháng lên tần số dao động II. TÓM TẮT LÝ THUYẾT: Bài thí nghiệm này liên quan tới đặc tính của động cơ điện đồng bộ khi chúng bò thay đổi tải đột ngột. Để giải thích đơn giản, chúng ta giả sử rằng công suất theo góc pha của động cơ lớn có giá trò đỉnh là 2MW như ở hình 1 và giả sử vò trí của rotor không tải được cho ở hình 1(a). Các cực sẽ quay ngược lại một góc 30° khi tải được tăng đến 1MW. Góc 30° là một thứ tự hướng của đồ thò cho trước. Nó phản ánh những gì xảy ra khi tải trên động cơ được tăng từ 0 đến 1MW. Hình 1 Nhưng nếu tải 1MW được áp đặt một cách đột ngột thì rotor sẽ quay ngược về sau một góc lớn hơn 30° và có thể dao động khoảng từ 45 đến 50° từ vò trí không tải. Ở một mức độ nào đó, động cơ sẽ vượt qua góc 30° mà nó tiến đến, kết quả là khi động cơ làm việc, công suất hoạt động sẽ vượt quá giá trò 1 MW. Chẳng hạn như nếu động cơ dao động một góc 45° thì ngay lập tức động cơ sẽ phát ra 1,4MW trong khi tải cơ học vẫn chỉ là 1MW. Sự chênh lệch 0,4MW này dùng để tăng tốc động cơ, làm cho rotor quay trở lại điểm cân bằng 30°. Khi động cơ tiến đến vò trí mới này, rotor chuyển động rất nhanh và vượt qua một biên rộng mà góc nhỏ có thể đạt được là 15°. Tại góc mới này, động cơ chỉ có thể sinh ra 0,5MW, lượng công suất này nhỏ hơn rất nhiều so với 1MW tải cơ học. Tiếp theo sau đó, rotor quay chậm dần và sẽ quay trở lại, tiến đến và vượt qua điểm 30°. Hãy xem lại hình 1, rotor sẽ giao động giữa điểm 15° (P 1 ) và 45° (P 2 ) để tiến đến điểm vận hành ổn đònh 30° (P 0 ). Động cơ khi đó được gọi là đang “dao động” – hướng tới vò trí ổn đònh, hay dao động trong giai đoạn quá độ. Biên độ dao động sang phải và sang trái của P 0 sẽ trở nên nhỏ dần và sau một phút hay hơn, động cơ sẽ dừng lại ở vò trí điểm ổn đònh P 0 . Quá trình mà biên độ dao động giảm dần được gọi là giảm chấn (damping). Giảm chấn có tác động đặc biệt nếu động cơ được trang bò một lồng sóc. 41 Bộ mơn Kỹ thuật điện, Khoa Điện – Điện tử Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm h ệ th ố ng đ i ệ n Bất cứ sự thay đổi đột ngột nào về tải cơ học, về điện áp cung cấp hay ngắt quãng nguồn cung cấp (trong thời gian rất ngắn) đều làm cho động cơ chuyển sang quá trình quá độ. Tần số của quá độ phụ thuộc chủ yếu vào quán tính của động cơ, vào vận tốc quay và công suất cực đại của nó. Công thức tính toán gần đúng: J Pf N F H 7200 = Ở đây, F H =Tần số dao động (chu kỳ/phút); N=Vận tốc quay (vòng/phút); P=Công suất đỉnh (kW); f=Tần số đường dây cung cấp (Hz); J=Momen quán tính (kg.m 2 ). Tính tương tự Sử dụng phép tương tự, có thể hiểu được hiện tượng dò tìm trong quá trình quá độ của động cơ ở trên. Trên hình 2 là một bánh đà có quán tính lớn ( đặc trưng cho quán tính của động cơ đồng bộ) được gắn cố đònh vào đầu trục tuabin với kết nối cứng, có thể đo được công suất của nó phát ra. Nhưng trục ở hình 2(b) liên kết cứng hơn nhiều so với trục ở hình 2(a) và vì vậy với một momen quay cho trước, nó có thể sinh ra công suất nhiều hơn. Ở hình 3 có hai bánh xe quán tính đặc trưng cho quán tính của hai máy khác nhau được gắn cố đònh vào đầu của hai trục có cùng liên kết cứng. (a) (b) Hình 2 (a) (b) Hình 3 Có thể quan sát được rằng, nếu các trục được quay một góc, ví dụ là 30° và đột ngột thả ra thì chúng sẽ dao động nhưng ở tần số khác nhau. Với một quán tính cho trước, trục dày (thể hiện công suất lớn) như hình 2(b) sẽ dò tìm (trải qua quá trình quá độ) nhanh hơn là trục ở hình 2(a). Cũng tương tự như vậy, với một mức công suất cho trước, trục gắn một bánh đà lớn hơn (thể hiện quán tính lớn hơn) ở hình 3(b) sẽ dò tìm chậm hơn nhiều so với trục cho ở hình 3(a). Động cơ đồng bộ và đường dây truyền tải Hình 4 trình bày sơ đồ mạch của một động cơ đồng bộ có một điện kháng đồng bộ X S nối vào đầu một đường dây truyền tải có điện kháng X L . Giả sử rằng điện áp cung cấp và sức điện động cảm ứng đều bằng E, tức là E 1 = E 0 , công suất cực đại có thể truyền đến động cơ đó là: SL XX E P + = 2 Công suất này nhỏ hơn công suất đỉnh nếu nối động cơ trực tiếp vào nguồn S, và kết quả là tần số dao động thấp hơn. 42 Bộ mơn Kỹ thuật điện, Khoa Điện – Điện tử Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm h ệ th ố ng đ i ệ n Hình 4 II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM : Động cơ/Máy phát đồng bộ 3 pha EMS 8241 Dây truyền tải ba pha EMS 8329 Watt kế/ Var kế ba pha EMS 8446 Bộ nguồn EMS 8821 Bánh đà EMS 8915 Máy hoạt nghiệm EMS 8922 Các dây kết nối EMS 9128 III. PHẦN THÍ NGHIỆM : 1. Kết nối động cơ/máy phát đồng bộ ba pha vào đầu ra của nguồn cấp điện xoay chiều AC cố đònh và điều chỉnh kích từ động cơ để công suất phản kháng cấp cho động cơ bằng 0 (xem hình 5). Hình 5 Mở và tắt nguồn AC và với máy hoạt nghiệm, hãy quan sát sự dao động – quá trình quá độ của rotor. 2. Lặp lại bước 1 sau khi đã gắn bánh đà vào trục động cơ để tăng quán tính trục động cơ. Tần số dao động khi đó như thế nào? ____________________________________________________________________________ So sánh với kết quả quan sát trong bước 1 ____________________________________________________________________________ 3. Lặp lại bước 2 nhưng lần này nối động cơ qua một đường dây truyền tải 400Ω và chỉnh Q 2 =0 (xem hình 6). Để khởi động động cơ có thể thiết lập trở kháng của đường dây bằng không; bằng cách này có thể hạn chế được tổn thất điện áp trên đường dây do dòng khởi động cao. 43 Bộ mơn Kỹ thuật điện, Khoa Điện – Điện tử Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm h ệ th ố ng đ i ệ n Tần số dao động bò giảm một cách đáng kể, kéo theo sự giảm công suất đỉnh của động cơ. Tần số dao động lúc này như thế nào? ____________________________________________________________________________ 4. Lặp lại bước 3 nhưng không có bánh đà. Điều gì xảy ra đối với tần số dao động? ____________________________________________________________________________ Có thể dễ dàng duy trì tính đồng bộ của động cơ bằng cách đóng cầu dao điện thật nhanh không? Có Không Hình 6 V. CÂU HỎI KIỂM TRA: 1. Một máy phát điện xoay chiều có công suất 200MW, 13,2kV, 50Hz, 375 vòng/phút. Dưới kích từ đònh mức (E 0 =13,2kV) máy phát có thể phát ra công suất đỉnh là 300MW. Biết rằng tần số dao động tự nhiên là 20 chu kỳ/phút. a) Momen quán tính xấp xỉ của tải động cơ bằng bao nhiêu? ____________________________________________________________________________ b) Giá trò của điện kháng đồng bộ bao pha bằng bao nhiêu? ____________________________________________________________________________ 2. Điện áp ở một thành phố lớn tăng và giảm một cách chu kỳ dẫn đến mất điện thoáng qua. Hãy giải thích điều này? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 3.Một động cơ đồng bộ lớn được nối vào cuối một đường dây truyền tải dài sẽ dò tìm chậm hơn nhiều so với khi nó được nối với một thanh góp vô hạn. Hãy giải thích tại sao? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 4.Cho một máy phát 175W với bánh đà có momen quán tính 0,034kg.m 2 và điện kháng đồng bộ ba pha bằng 400Ω. Nếu động cơ này được nối với một nguồn ba pha 380V và nếu điện áp kích thích E 0 bằng 380V (điện áp dây), hãy xác đònh tần số dao động tự nhiên trong điều kiện không tải. Giá trò này có tương ứng với giá trò tìm được bởi thí nghiệm không? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ . thuật điện, Khoa Điện – Điện tử Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm h ệ th ố ng đ i ệ n Họ và tên : ……………………………………… Lớp : ………………………………………………… MSSV : …………………………………………… BÀI 9 KHẢO SÁT DAO ĐỘNG TRONG. KHẢO SÁT DAO ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN I. MỤC ĐÍCH: ♦ Quan sát đặc tính quá độ của động cơ đồng bộ ♦ Nghiên cứu ảnh hưởng của quán tính và điện kháng lên tần số dao động II. TÓM TẮT LÝ THUYẾT:. đó, động cơ sẽ vượt qua góc 30° mà nó tiến đến, kết quả là khi động cơ làm việc, công suất hoạt động sẽ vượt quá giá trò 1 MW. Chẳng hạn như nếu động cơ dao động một góc 45° thì ngay lập tức động